电机轴制动盘（共4篇）
电机轴制动盘 篇1
0 引言
在泥泞、冰雪路面或山区公路上行驶的汽车, 需要对汽车进行持续的制动, 使汽车持续减速或稳定车辆行驶速度。如果仅靠整车制动系的话, 制动器会因长时间频繁工作使温度升高产生热衰退甚至完全失效, 因而有必要设置辅助制动系来分担整车制动系的工作, 减少制动系统的磨损及轮胎因制动而增加的损耗, 从而延长整车制动系的寿命, 提高整车的行驶安全性和和驾乘舒适性。
柴油机上广泛采用关闭排气管道的制动装置, 使用时驾驶员脚踩驾驶室底板上的制动按钮, 同时停油机构开始工作切断柴油机的燃料供给。排气制动蝶阀将在推杆的推动下关闭排气通道阻碍缸内废气的排出, 这样本来为汽车提供动力源的柴油机在汽车传动系的反拖动下类似于压缩机工作。此时排气通道中的废气压力急剧上升, 相邻气缸的排气产生的压力大于气门弹簧的预紧力时, 会导致处于吸气冲程下止点附近气缸的排气门自动打开。
1 故障现象
我公司某型号直列4缸柴油机在台架上用倒拖方法进行排气制动工况的模拟测试。当试验运行至第7个循环时, 发动机功率突降并出现异响, 停机检查发现第4缸摇臂轴排气侧断裂 (图1) , 同时发现第4缸活塞与排气门有碰撞痕迹 (图2) , 对配气机构其它零部件如推杆、摇臂、气门等进行检查, 未发现异常现象。
2 失效原因分析及试验研究
2.1 摇臂轴失效件分析及有限元计算
2.1.1 断口分析和理化检验
从失效件断口判断, 摇臂轴无疲劳特征, 具体见图4。
为进一步分析摇臂轴的断裂原因, 对其表面硬度、化学成分和金相进行理化检验, 结果见表1, 检测项目均符合设计要求。
2.1.2 有限元分析
为进一步分析摇臂轴设计是否存在不足, 对其进行强度和疲劳寿命的有限元分析, 计算过程中设置为两个载荷步:预紧载荷和推杆作用载荷。经计算在过渡圆角处存在应力过大区域, 最大应力值为175.7MPa, 安全系数为3.09, 满足强度要求。
根据有限元计算结果, 计算摇臂座的疲劳寿命大于107, 满足疲劳设计要求。
2.2 摇臂轴断裂的原因分析
根据2.1对摇臂轴断口、理化检验和有限元的分析结果, 同时结合现场图片可推断摇臂轴发生断裂的原因应是排气门与活塞碰撞, 分析如下:
2.3 排气门与活塞运动间隙的试验研究
为进一步确认摇臂轴的失效原因, 有必要对制动工况下缸内活塞与排气门运动过程中的间隙进行试验研究。
2.3.1 理论压缩余隙、排气门与活塞间隙的计算
按照试验柴油机的总装技术条件规定, 根据活塞凸出量选择不同压紧厚度的气缸盖垫片, 由此可计算出压缩余隙如下表。
(单位:mm)
根据表2压缩余隙理论计算结果和气门凹入度设计规定值, 可计算出在气门关闭状态下活塞顶面气门凹坑与气门理论间距情况。
2.3.2 活塞与排气门间隙的动态测试
试验采用电力测功机倒拖方法, 在不同的排气制动蝶阀开度下, 调整排气背压值, 并记录不同曲轴转角下的气门升程。测试台架试验系统见图8, 该系统中排气制动蝶阀装在排气管路上, 压力传感器装在排气制动蝶阀前面测量排气背压, 位移传感器安装在弹簧上座上用于测量气门升程, 而角标仪安装在曲轴前端用于测量曲轴转角。
为后续准确计算排气门与活塞的运动间隙, 需要在装配前测量下列项目:
a) 、气门凹入度;
b) 、排气门凹坑深度;
c) 、压缩余隙, 采用压铅法测量;
d) 、活塞在不同曲轴转角下的位移。测量时用图8所示台架系统的同一套位移传感器与角标仪在气缸盖装配前测量。
上述a、b、c、d项实际测量值见表4。
在上述准备工作完成后, 可以进行排气门与活塞间隙的动态测试, 试验运行倒拖工况如下:
a) 在3000r/min和3300r/min两个发动机转速下进行测试。经与整车厂沟通, 了解到试验柴油机在使用排气制动时, 平均车速为25km/h, 此时多数驾驶员将变速箱置于2档, 对应发动机速度为2813r/min。
b) 排气背压≤270k Pa, 此值为试验机型在排气制动蝶阀全关闭状态下的排气背压值。
c) 为确保试验运行的安全性, 当活塞与排气门间隙为0.5mm左右时, 停止进行后续间隙的测试。
由台架试验测试结果表5来看, 在排气制动工况下, 当排气背压超过127k Pa时排气门出现了反跳, 而随着背压值和转速的升高, 反跳的幅度加大。由此推断摇臂轴断裂的原因是排气门与活塞碰撞, 具体分析如下:试验柴油机采用了与气门“零间隙”的液压挺柱结构, 其间隙调节范围为2.38mm, 摇臂比为1.4722, 因而在3.5mm范围内会自动补偿排气门与摇臂间产生的间隙, 使排气门保持开启状态, 此提高了制动效率, 对排气制动来讲是有利的部分。但当活塞运行至排气上止点时, 此时活塞与排气门的间隙很小 (理论最小间隙为1.019mm) , 因排气门出现反跳, 且液压挺柱受到推杆传来的压力, 来不及泄油, 使排气门的开启量增加, 造成活塞与气门碰撞, 而此碰撞贯穿在柴油机高速运转的全过程中, 并最终导致摇臂轴出现了断裂失效。
3 解决措施
由以上分析情况来看, 为解决排气辅助制动工况下摇臂轴断裂问题, 可从以下几个方面着手减小排气门与活塞碰撞的可能性:
a) 提高弹簧预紧力, 可通过改变弹簧刚度或增加自由高度。这样使弹簧在较小的压缩量下即可平衡排气背压, 减少气门反跳量。
b) 通过增加活塞避碰坑的深度, 加大活塞与气门的间隙, 但避碰坑深度增加必须同时兼顾到发动机性能。
c) 减小液压挺柱的间隙调节范围。
摘要：某四缸柴油机在电力测功机台架上采用倒拖方法进行排气制动工况模拟试验时, 功率突然下降, 拆机检查发现摇臂轴断裂且排气门与活塞有碰撞痕迹。本文借助有限元计算、断口分析和理化检验等手段对故障件进行分析, 同时在试验台架上测量活塞与排气门的运动间隙。经分析和试验研究发现在制动工况下排气门出现反跳导致活塞与排气门碰撞是摇臂轴断裂的主要原因。
关键词：排气制动,摇臂轴,断裂,试验
参考文献
[1]周龙保.内燃机学.北京, 机械工业出版社, 1999.44~81
[2]孙智, 江利, 应鹏展.失效分析北京, 机械工业出版社, 2009.9
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[4]陆际清.汽车发动机设计.北京:清华大学出版社, 1990
电机轴制动盘 篇2
专
科
生
毕
业
大
作
业
题
目：关于三相异步电机转速与制动的研究
学习中心： 层 次： 高中起点专科
专 业： 电气工程及其自动化
年 级： 2009年 春 季
学 号： xxxxxx xxxxxxxxx 学 生： xxx xxxxx 指导教师： xxxxxxxxxxxx 完成日期： xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
关于三相异步电机转速与制动的研究
内容摘要
三相异步电动机是生产中不可或缺的机械，在工业生产中,有许多工艺要求拖动系统能快速起动、制动和频繁正反转，此类系统要求电机四象限运行。本文首先对三相异步电机的变频调速原理进行了分析，然后对三相异步电机的制动方式进行了简要介绍，在此基础上，对电压型变频器再生能量产生机理进行了较深入的理论探讨,揭示了回馈状态下各物理量之间的关系,并设计了一种能量回馈控制系统，该系统使得变频器可以实现四象限运行,节能效果明显。
关键词：异步电动机；变频调速；制动；
I
关于三相异步电机转速与制动的研究
目 录
内容摘要...........................................................................................................................I 引
言..............................................................................................................................1 1 异步电动机调速的原理及方法................................................................................2
1.1 工作原理..........................................................................................................2 1.2 变频调速控制方式..........................................................................................2
1.2.1 电源频率低于工频范围调节................................................................2 1.2.2 电源频率高于工频范围调节................................................................3 1.2.3 转差频率控制........................................................................................4 制动............................................................................................................................4
2.1 电机制动方式简介..........................................................................................4
2.1.1 反接制动................................................................................................4 2.1.2 能耗制动................................................................................................4 2.1.3 电磁制动................................................................................................5 2.1.4 串接制动................................................................................................6 2.1.5 发电制动................................................................................................6 2.2 变频调速系统中电机的制动..........................................................................6
2.2.1 变频调速异步电机再生制动状态分析................................................7 2.2.2 变频调速器再生能量的产生机理........................................................7 2.2.3 再生能量回馈状态下的理论计算........................................................8 2.2.3.1 惯性体的运动能量计算.....................................................................8 2.2.3.2 变频器驱动电机再生制动时的能量计算.........................................8 2.2.3.3 制动转矩计算...................................................................................8 2.2.3.4 变频器参数设定与制动能力分析.....................................................9 2.2.3.5 回馈能量计算...................................................................................10 2.2.4 再生能量回馈系统设计......................................................................10 2.2.5 实验结果..............................................................................................12 小结..........................................................................................................................12 参考文献........................................................................................................................14
II
关于三相异步电机转速与制动的研究
引
言
实际的生产过程离不开电力传动。生产机械通过电动机的拖动来进行预定的生产方式。直流电动机可方便地进行调速, 但直流电动机体积大、造价高, 并且无节能效果。而交流电动机体积小、价格低廉、运行性能优良、重量轻, 是生产过程中广泛使用的机械，因此交流电动机的调速具有重大的实用性。使用调速技术后, 生产机械的控制精度可大为提高,并能够较大幅度地提高劳动生产率和产品质量, 而且可对诸多生产过程实施自动控制。通过大量的理论研究和实验, 人们逐渐认识到：对交流电动机进行调速控制, 不仅能使电力拖动系统具有非常优秀的控制性能, 而且在许多场合中, 还具有非常显著的节能效果。
关于三相异步电机转速与制动的研究 异步电动机调速的原理及方法
三相交流电动机定子绕组中的三相交流电在定子隙圆周上产生一个旋转磁场, 这个旋转磁场的转速称同步转速, 记为n1，实际电动机转速n 要低于同步转速, 故一般称这样的三相交流电动机为三相异步电动机。
1.1 工作原理
异步电动机的同步转速遵从电机学基本关系
（1）
式中，f——电源交变频率，p——电机定子磁极对数 电机学中还常用转差率s参量，其定义为： 电机的实际转速
（3）
（2）
从式(3)可知, 异步电动机调速可以从改变电源平率、改变电机定子极对数、改变转差率等方面来进行调节。因此，电机的调速方法有很多，串级调速、变频调速、能耗转差调速等。随着电力电子技术、计算机控制、微电子等高技术的发展, 交流调速取代直流调速已成为发展趋势。电机的交流变频调速技术是现代工业节电和改善工艺流程以提高产品质量的一种主要手段。
变频调速是改变电动机定子电源的频率, 从而改变其同步转速的调速方法。交流变频调速具有系统体积小, 重量轻、控制精度高、保护功能完善、工作安全可靠、操作过程简单, 通用性强, 使传动控制系统具有优良的性能, 同时节能效果明显,产生的经济效益显著。尤其当与计算机通信相配合时, 使得变频控制更加安全可靠,易于操作(由于计算机控制程序具有良好的人机交互功能), 变频技术必将在工业生产发挥巨大的作用, 让工业自动化程度得到更大的提高。
1.2 变频调速控制方式
式(3)可知, 异步电动机变频调速的控制方式基本上有以下三种： 1.2.1 电源频率低于工频范围调节
电源的工频频率在我国为50Hz。电机定子绕组内的感应电动势为:
关于三相异步电机转速与制动的研究
（4）
式中f1——定子绕组中感应电动势的频率, 与电源频率f 相等, Hz;K1——电机定子绕组的绕组系数, 其值取决于绕组结构, K1<1;N1——电机定子绕组每相串联的线圈匝数;Ф——电机每极磁通;定子电压U1 与定子绕组感应电动势E1 的关系为
(5)式中Z1——定子绕组每组阻抗
I1——定子绕组相电流 若忽略定子压降I1Z1, 则 把该式整理成
则
(6)
(7)(8)(9)电动机的电磁转矩M与(U1/f1)2 成正比,若下调频率f1, 同时也下调U1, 使(U1/f1)比值保持恒量, 则磁通Ф不变, 因此转矩也保持常值,此时电动机拖动负载的能力不发生改变, 这种控制方式称为恒磁通调压调频调速, 也叫恒转矩调速。
1.2.2 电源频率高于工频范围调节
由于使频率f1增加,U1/f1变小, 而U1不能高于额定电压, 在该控制方式中, 保持U1不变, 由于频率变高, 由式(9)知道, 定子磁通Ф变小, 电磁转矩M也变小, 但电源频率增加, 设电动机转动角速度w=2πn, 电机的功率是电磁转矩M与角速度ω的乘积：
P=M·ω(10)调节过程中, 使频率f与转矩的变化成一定协调关系, 从而保持电机功率P 为恒量, 即功率不发生变化, 这种升频定压调速为恒功率调速。
关于三相异步电机转速与制动的研究
1.2.3 转差频率控制
三相异步电动机中,定子与转子之间的圆周空隙有一旋转磁场, 转速为n1, 电机转子实际转速为n,(n1-n)是转子与旋转磁场之间的相对切割速度。对频率、电压进行谐调控制, 使U1/f1 不变, 此时, 磁通Ф也不变, 在Ф不变的条件下,电磁转矩M与(n1-n)2 成正比。对频率f 进行调节, 即调节(n1-n), 因此, 在实现转速调节时也实现了转矩的调节。制动
电机的制动包括反接制动、能耗制动、电磁制动、串接制动、发电制动等。以下首先简要介绍电机制动方式，然后重点研究变频调速系统中电机的再生制动。
2.1 电机制动方式简介
2.1.1 反接制动
当异步电动机转子的转向与定子旋转磁场的转向相反时, 其运动状态称为反接制动。电路原理如图1。按下SB2 , KM1 自锁, 电机运转, 同时速度继电器KS 闭合, 为反接制动做准备。按下SB1 ,KM1 断电, KM2 自锁。此时定子旋转磁场与转子转向相反, 进入制动状态, 当转速低于某一值,KS 断开, 反接制动结束。
图1 反接制动原理
该方式制动转矩大, 制动迅速, 控制设备简单, 但制动冲击较大, 对传动机构有害, 容易使电机反转, 而且制动时电机从电源吸收并传递到转子的电磁功率以及从转轴上吸收的机械功率全部转化为热能, 对电机不利, 不适合制动频繁的场合。2.1.2 能耗制动
如图2所示, 当定子绕组脱离交流电源时, 立即将其绕组切入直流电流, 使
关于三相异步电机转速与制动的研究
定子产生静止磁场。控制电路与反接制动一样, 按下SB2 , 电机起动,按下SB1 , 电机制动。
图2 能耗制动原理
该方法可以通过改变直流电流的大小, 调节制动转矩的大小。它制动准确、平稳、能量消耗较小, 但是控制设备相对复杂, 故适合于要求制动平稳、准确和起动频繁并容量较大的电机。2.1.3 电磁制动
如图3 所示, 在转子上装上制动部件, 转子制动部件极靴上固定永磁体, 机座上安装定子制动部件, 其上放置制动绕组, 并将制动绕组短路。当转子部件运转时, 将在定子制动部件中产生旋转磁场, 类似发电机, 该磁场是阻碍转子运动的, 若电机失电, 将会迅速停机。
图3 电磁制动结构
此结构机械上较为复杂, 但是无外围控制电路, 属于非机械接触的软制动, 冲击较小, 电气故障很低, 免维护。但因为制动转矩较小, 实用于转动惯量较小的小功率电机。
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2.1.4 串接制动
随着大功率电子元件的成熟,诞生了此种制动方式。电路如图4。将电机定子绕组末串联一全波整流电路VC,把整流后的电源送到与电机转子有机械机构联系的电磁铁YA上,通电时,电磁铁YA吸合,机械机构释放,电机运转,失电时,机械机构同步复原,迅速刹车。
该结构制动反应迅速、控制精度高、能耗小、冲击较小、无外围控制设备、制动简单、运行可靠, 同时可以弥补普通异步电动机起动电流大的缺点, 起到分压、降压起动的良好效果,是一种新型制动方式,几乎适合于所有的异步电机。
图4 串接制动原理
2.1.5 发电制动
该制动方式适合于变极、变频调速系统。适用于当转子转速超过同步转速的时候(即电机由高速到低速运行过程中)。当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时,电机处于再生发电状态,如果处理不当,将在直流侧出现过高的泵升电压,限制了通用变频器的应用范围。比较理想的方式是通过有源逆变装置将再生能量回馈到交流电网,在能源资源日趋紧张的今天,这项研究具有十分重要的现实意义。下文将进行详细介绍。
2.2 变频调速系统中电机的制动
在变频调速系统中,电机的降速和停机是通过逐渐减小频率来实现的,在频率减小的瞬间,电机的同步转速也随之下降,而由于机械惯性的原因, 电机的转子转速未变。当同步转速小于转子转速时,转子电流的相位几乎改变了180度,电机从电动状态变为发电状态；与此同时,电机轴上的转矩变成了制动转矩,使电机的转速迅速下降,电机处于再生制动状态。下文在分析变频调速系统中的再生能量产生机理,揭示再生制动下各物理量之间的关系的基础上,设计了一种新型能量回馈控制系统。
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2.2.1 变频调速异步电机再生制动状态分析
当电机工作于再生发电状态时,电机内部将发生以下变化过程:变频器拖动电机降速,电机转子的旋转速度超过给定频率下的同步转速,也即超过电机内部同步旋转磁场的转速。造成转子切割磁力线的方向反向,转子导体上感应电势以及感应电流的方向反向。由于转子电流中的励磁分量不会发生变化(电机不可能使励磁电流反向,因为它需要从变频器侧吸收励磁电流以建立电机内部磁场,维持电机的运转),所变化的只是转子电流中的转矩分量,而转子电流转矩分量的变化又引起了定子电流转矩分量的变化。其结果是:定子电流的合成量(即平时所说的定子电流)和电机的转矩反向,从坐标上看,即电机的机械特性曲线从第一象限运动到第二象限。
2.2.2 变频调速器再生能量的产生机理
图5所示为变频器拖动电机运行时泵升电路的等值电路。为说明泵升电压产生机理, 假定电容电压Uc、绕组反电动势E、电阻r、电感L为常数。
可得回路方程。电动状态时:
（11）
再生发电状态时:
（12）
图5 泵升电路等值电路图
电动状态时E和I反向,回路电压为Uc-E,若ΔI保持不变,泵升时间Δt随E的升高而增大；再生发电状态时E和I同向，回路电压为Uc + E,在ΔI相等的情况下,泵升时间Δt随E的升高而减少。从能量关系看,电动状态时Uc 和E同时吸收电感放出的电能；而再生发电状态时只有Uc 吸收能量,它不仅吸收电感放出的电能，而且连制动时产生的电能也一并吸收了。如果没有吸收再生能量的环节，将导致电容
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上电压升高,升高的那一部分电压就称为泵升电压。2.2.3 再生能量回馈状态下的理论计算 2.2.3.1 惯性体的运动能量计算
设n为旋转体的转速(r/min), J和GD为旋转体的转动惯量(kg·m2),且GD=4J，则旋转体具有的运动能量为
（13）
当速度从n1 减速到n2(r/min)时释放出的能量为
（14）
2.2.3.2 变频器驱动电机再生制动时的能量计算
再生能量是由电机机械系统的动能转化而来,可表达为
（15）
式中:能;
为机械系统的动能；
为储存在电机电感中的电磁
为机械阻力所消耗的等效电能, Mf(t)为机械阻力矩函数,ω(t)为电机角速度函数;W0 为其他损耗。为简化计算,假定电感中所存储的能量与机械阻力能和各种损耗相抵消, 即机械系统的动能都转化为再生能量回馈变频器直流侧,则有:（16）
所以电机再生发电功率(W):
（17）
2.2.3.3 制动转矩计算
电动机要加速时,就要增大其运动能量;相反,要减速时,必须释放其运动能量。其加速和减速所需要的转矩表达为
（18）
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2.2.3.4 变频器参数设定与制动能力分析
异步电动机转速可以表示为
（19）
其中f1 为电动机定子频率, s为转差率,p为电机极对数。在变频调速系统中, s和p可以看作常数。将式(19)两边分别取导数
（20）
由式(17)、(18)和(20),整理得
（21）
（22）
（23）
其中τ为实际生产工艺要求的减速时间,Δf1为变频器频率输出的变化量。式(21)～(23)反映了电动机再生制动时发电功率、制动转矩与变频器基本参数相互之间的定量关系。由上述各式可得以下结论: 1)电机制动时回馈能量的大小与系统的转动惯量、转速、机械阻力、电机绕组电感等因素有关;2)假定电感中所存储的能量可与机械阻力能及各种损耗相抵消，则电机的发电功率大小由电机的转动惯量GD、电机转速n、减速时间τ决定； 3)在t=0时刻，电机刚开始回馈时若转速为n1，变频器减速时间已设定的情况下, 设(k>0)。则最大发电功率为
（24）
式中n0为给定电源频率下的同步转速；负号表示能量由电机侧流向变频器直流侧； 4)若变频器的频率变化及减速时间参数确定，可以求出确定的制动转矩。当要求的减速时间越短电动机的发电功率越大，提供的制动转矩也越大。同时电机再生制动时最大发电功率与制动转矩的关系,可由式(23)得到:
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（25）
显然, Pmax与制动转矩T、电机转速n1成正比;5)制动转矩的大小与系统的转动惯量成正比，与减速时间τ成反比。2.2.3.5 回馈能量计算
设有源逆变停止时直流侧电压为U1 ,正常工作时为Ue，则回馈过程电网需吸收的能量为
（26）
其中C为变频器及有源逆变器中间环节电解电容的电容量。在能量回馈过程中由于直流侧电压的平均值Ua为一定值, 故回馈功率的大小仅由回馈电流决定。设回馈电流时直流侧的电流平均值为IL ,电网相电压有效值为U2 , 则能量回馈平均功率Pfa约为
（27）
为保证电机的制动效果,电网回馈功率Pf 应不小于电动机再生发电过程中可能出现的最大发电功率Pmax , 否则直流侧电压将持续升高；同时Pfa还应不大于变频调速系统的额定功率Pe。由能量守恒定律可得Pfaτ=Wf ,即
（28）
该式即为有源逆变时电网侧回馈能量的表达式。由式(28)可以得到下述结论: 1）对于一个确定的系统(转动惯量一定), 若电机转速n、电网电压U2 和逆变停止电压U1一定,则回馈电流IL 与制动时间τ成反比;2)在电网电压U2、直流侧电压U1和回馈电流IL不变的情况下,转动惯量GD 越大,则制动所需时间τ越长;转动惯量GD越小,则所需制动时间τ越短。2.2.4 再生能量回馈系统设计
如前所述,再生能量及时高效的回馈电网,使通用变频器可四象限运行, 并实现节能降耗。本文在对变频调速系统电机再生制动分析理论指导下, 设计了一种新型的通用变频器能量回馈控制系统, 整个系统结构框图如图6。主电路主要由三相IPM逆变桥和相关外围电路组成。逆变桥的输出端通过三个扼流电抗器L1、L2、关于三相异步电机转速与制动的研究
L3 与变频器输入端子R、S、T相连,输入端则通过两个隔离二极管D1、D2 接变频器的直流侧P、N端,以保障能量在变频器→有源逆变桥→电网方向上的单向流动。C3、C4 为滤波电解电容, R3、R4为电容均压电阻, R5为电容充电限流电阻, J2 为用于切除限流电阻的继电器。霍尔电流传感器H负责检测回馈电流,为系统实现回馈电流控制提供准确可靠的反馈信号。限流电抗器L1、L2、L3 的作用是平衡压差、限流以及滤波。系统工作过程是:当电机电动运行时,逆变器开关管VT1 ～VT6全被封锁,处于关断状态；当电动机处于再生发电状态时,能量由电机侧回馈直流侧,导致直流母线电压升高。当直流母线电压超过电网线电压峰值时, 整流桥由于承受反压而关断；当直流母线电压继续升高并超过启动逆变器工作电压VDLH时, 逆变器开始工作，将能量从直流侧回馈电网。当直流母线电压下降到关闭逆变器工作电压VDLL时，关闭逆变器。一个完善的能量回馈控制系统应满足相位、电压、电流等三方面的控制条，这要求回馈过程必须与电网相位保持同步关系；只有直流母线电压超过一定值时才启动有源逆变装置；系统应该能够控制回馈电流的大小，从而可以控制电机的制动转矩，实现精确制动。控制系统结构框图如图6，主要包含同步电路、电压检测控制电路、电流检测控制电路和故障检测、保护电路等部分，整个系统由微处理器进行监控。回馈电流的质量是整个系统的关键和难点，本文设计的系统采用SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)控制方式，结合同步信号实现单位功率因数正弦波回馈。
图6 能量回馈控制系统结构框图
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2.2.5 实验结果
图7为该控制系统回馈电流的实验波形(测试仪器为FLUKE PM3380A示波器)，实测功率因数绝对值≥0.98(测试仪器为FLUKE-41B多功能谐波分析仪)。实验表明系统馈送电流谐波小,功率因数高,不仅有效地限制了泵升电压,保证了变频驱动系统的安全正常运行,而且还能实现能量回收和精确制动,使通用变频器可广泛应用于需要四象限运行的场合。
图7 回馈电流的实验波形 小结
本文首先对三相异步电机的变频调速原理进行了分析，然后对三相异步电机的制动方式进行了简要介绍，在此基础上，对电压型变频器再生能量产生机理进行了较深入的理论探讨,揭示了回馈状态下各物理量之间的关系,并设计了一种能量回馈SPWM 控制系统,给出了实验结果。具体结论列举如下: 1)电机制动时回馈能量与系统的转动惯量、转速、机械阻力、电机绕组电感、电机以及变频器回路的电阻等因素有关；
2)电机的发电功率大小由电机的转动惯量、电机转速、减速时间决定;制动转矩的大小与系统的转动惯量成正比,与制动时间成反比；
3)对于一个确定的系统(转动惯量一定),若电机转速、电网电压和逆变停止电压一定,则回馈电流与制动时间成反比；在电网电压、直流侧电压和回馈电流不变的情况下,转动惯量越大,则制动所需时间越长,否则反之。
本文设计的新型能量回馈SPWM控制系统既可实现单位功率因数、高质量的正弦波回馈电流,又能实现异步电动机的精确制动。与通用变频器配合使用拓宽了通
关于三相异步电机转速与制动的研究
用变频器的应用领域。值得指出的是,目前制作PWM整流器或四象限运行变频器在技术上没有问题,而且其拓扑电路也比通用变频器加回馈单元简单,但是由于前两者均属于专用逆变器,市场价格昂贵,在现阶段的竞争力还不如后者。特别是对于用回馈单元替代已有变频系统中的制动电阻的情形,后者的性价比优势更加突出,因此新型能量回馈装置应用前景广阔。另外,这种馈电技术不仅可用于变频驱动异步电机再生制动而且可广泛用于光伏逆变器并网等场合。
关于三相异步电机转速与制动的研究
参考文献
电机轴的设计 篇3
轴是支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。一般分为转轴、心轴和传动轴, 电机上使用的就是转轴, 这也是机械中最常见的轴, 工作时既承受弯矩又承受扭矩。在设计轴的时候需要根据电机的转速、扭矩、结构、应用环境等选择轴的材料, 设计轴的结构, 计算轴的工作能力。
2 轴材料的选取
轴的材料选择主要根据对轴的强度、刚度、耐磨性的要求以及制造工艺性决定, 我们在选择轴的材料时要根据情况选择, 力求经济合理。轴的材料主要采用碳素钢或合金钢, 也可采用球墨铸铁或合金铸铁等, 一般电机轴采用45优质碳素钢, 因为45钢导磁性能较好, 当然如果电机的工作环境比较潮湿, 为了防锈, 会用不锈钢来代替。通常电极会使用冷轧钢, 因为冷轧钢的表面质量、外观、尺寸精度较好, 而且具有冷加工硬化的特性, 具有较好的机械性能。如果电机的工作环境潮湿, 又要确保更好的导磁性, 可能会使用热轧钢, 并在轴伸端焊接不锈钢, 为什么不使用冷轧钢而使用热轧钢呢?这是因为热轧钢具有更好的塑性及可焊性。
3 轴的结构设计
轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求, 合理地确定轴的结构形式和尺寸。在设计轴的时候, 有以下要求:
(1) 轴应该便于制造, 轴上零件要易于装拆。一般轴都做成从轴端逐渐向中间增大的阶梯状, 在满足使用要求的前提下, 轴的结构越简单, 工艺性越好。
(2) 轴和轴上零件要有准确的工作位置。电机轴上的零件主要有转子、轴承、风扇、离心器。轴承是固定在两端轴肩上的, 转子、风扇、离心器是根据轴肩或者轴端定位。电机轴向固定是由轴肩、挡圈来实现。对于中小型电机, 轴向力较小, 采用弹性挡圈固定。
轴肩的尺寸要求:r
(3) 各零件要牢固而可靠地相对固定。轴与轴上零件都是采用过盈配合安装, 轴与转子的安装是通过热套工艺, 将转子加热, 利用热胀冷缩的原理, 将烘箱内烘热的转子套进轴里, 调整到合适的位置后冷却固定。
(4) 改善应力状况, 减小应力集中。应力集中出现在截面突然发生变化或过盈配合边缘处。
措施: (a) 用圆角过渡; (b) 尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽; (c) 重要结构可增加卸载槽、过渡肩环、凹切圆角、增大圆角半径。也可以减小过盈配合处的局部应力。
4 轴的加工工艺
4.1 加工精度
(1) 尺寸精度。轴的尺寸精度主要指轴的直径尺寸精度和轴长尺寸精度。 (2) 几何精度。轴一般对支撑轴颈的几何精度 (圆度、圆柱度) 提出要求。 (3) 相互位置精度。轴的配合轴颈相对于支撑轴颈间的同轴度是其相互位置精度的普遍要求。
4.2 表面粗糙度
根据机械的精密程度、运转速度的高低, 轴表面粗糙度要求也不相同。表面越粗糙, 抗疲劳强度越低, 所以必须降低表面粗糙度。
4.3 强化处理
通常对于机加工后的轴, 都需要进行强化处理来提高轴的抗疲劳能力。
表面强化处理的方法有: (1) 表面高频淬火; (2) 表面渗碳、氰化、氮化等化学处理; (3) 碾压、喷丸等强化处理。
5 轴的计算
轴的工作能力一般取决于强度和刚度, 转速高时还取决于振动稳定性。
(1) 扭转强度计算。
电机上的轴一般只传递扭矩, 强度条件 (MPa) :
45钢[τT]=25~45N/mm2, A0=126~103, 当作用在轴上的弯矩比传递的转矩小或者只传递转矩时, [τT]取较大值, A0取较小值, 显然, 电机轴A0较小, [τT]较大。
(2) 刚度校核计算。
其中:T-转矩;l-轴受转矩作用的长度;G-材料的切变模量;Ip-轴截面的极惯性矩。
当使用滚动轴承的时候, 转角许用值≤0.001rad。
(3) 疲劳强度。
安全系数的选取:S=1.3~1.5, 材料均匀, 载荷与应力计算准确;S=1.5~1.8, 材料不够均匀, 载荷与应力计算欠准确;S=1.8~2.5, 材料均匀性计算准确性均较低, 或轴的直径d>200mm。静强度校核 (略) 。
(4) 轴的振动。
轴旋转时会产生弯曲振动、扭转振动及纵向振动, 当轴的振动频率与轴的自振频率相同时, 就会产生共振。共振时轴的转速称为临界转速。临界转速可以有很多个, 其中一阶临界转速下振动最为激烈, 最危险, 一般轴很少发生共振。
线性电机型钢轨制动性能试验 篇4
因此, 日本铁道综合技术研究所将无需电源的线性电机型钢轨制动列为开发目标。该制动方式是使用交流电作为钢轨制动的励磁, 制动开始时自行发电, 并依靠该电源产生制动力, 该制动方式还具有抑制钢轨升温的优点。为了掌握这种线性电机型钢轨制动的特性, 日本铁道综合技术研究所试制了实际大小的电枢, 在使用了轨道轮的旋转试验装置上进行了试验, 结果如图1所示。
试验结果表明, 获得足够制动力的钢轨制动在设计上是可行的, 即便失去主电路电源, 也可进行制动, 对于抑制钢轨升温也有效果。